Chemie · Klasse 13

Ideen für aktives Lernen

UV/Vis-Spektroskopie zur Konzentrationsbestimmung

Aktives Lernen funktioniert hier besonders gut, weil die UV/Vis-Spektroskopie ein hochgradig praktisches Thema ist, das direkte Messerfahrungen und Dateninterpretation erfordert. Schüler verstehen die Theorie des Lambert-Beerschen Gesetzes erst wirklich, wenn sie selbst eine Kalibrierkurve erstellen und damit unbekannte Konzentrationen bestimmen.

• KMK Bildungsstandards
• KMK: Sekundarstufe II - Erkenntnisgewinnung: Instrumentelle Methoden
• KMK: Sekundarstufe II - Kommunikation: Dokumentation

• 20–60 Min.
• Partnerarbeit → Ganze Klasse
• 4 Aktivitäten

Aktivität 01

• Fallstudienanalyse
• 45 Min. · Kleingruppen

Praktikum: Kalibrierkurve mit UV/Vis

Schüler bereiten Lösungen unterschiedlicher Konzentrationen eines Farbstoffs vor und messen deren Absorptionsspektren. Sie erstellen eine Kalibrierkurve und bestimmen die Konzentration einer unbekannten Probe. Dies verdeutlicht das Lambert-Beersche Gesetz praxisnah.

Erklären Sie, wie sich das Lambert-Beersche Gesetz zur Konzentrationsbestimmung nutzen lässt.

Moderationstipp

Führen Sie während des Praktikums die Kalibrierkurve mit den Schülern Schritt für Schritt durch, um typische Fehler bei der Probenvorbereitung und Messung zu vermeiden.

Worauf zu achten ist

Geben Sie den Schülern ein UV/Vis-Spektrum eines synthetisierten Farbstoffs und eine Tabelle mit den Spektren bekannter Farbstoffe. Bitten Sie sie, das synthetisierte Produkt anhand des Spektrums zu identifizieren und die Wellenlänge der maximalen Absorption (λmax) anzugeben.

• Analysieren
• Bewerten
• Erschaffen
• Entscheidungsfähigkeit
• Selbststeuerung

Aktivität 02

• Fallstudienanalyse
• 30 Min. · Partnerarbeit

HPLC-Chromatogramm-Analyse

In Gruppen analysieren Schüler gegebene HPLC-Chromatogramme von Gemischen. Sie identifizieren Peaks, bewerten Trennungen und diskutieren Einflussfaktoren wie stationäre Phase. Abschließend präsentieren sie ihre Ergebnisse.

Analysieren Sie, nach welchen Prinzipien eine HPLC-Anlage komplexe Stoffgemische trennt.

Moderationstipp

Lassen Sie die Schüler beim HPLC-Chromatogramm-Analyse die Retentionszeiten und Peakflächen selbst auswerten, bevor sie die Ergebnisse interpretieren.

Worauf zu achten ist

Stellen Sie den Schülern eine Kalibrierkurve für einen Farbstoff zur Verfügung. Geben Sie ihnen die Absorption einer unbekannten Probe und bitten Sie sie, die Konzentration der unbekannten Probe zu berechnen und den Rechenweg kurz zu erläutern.

• Analysieren
• Bewerten
• Erschaffen
• Entscheidungsfähigkeit
• Selbststeuerung

Aktivität 03

• Fallstudienanalyse
• 20 Min. · Einzelarbeit

Spektrenvergleich zur Reinheitsprüfung

Schüler vergleichen UV/Vis-Spektren reiner Stoffe mit Proben. Sie notieren Abweichungen und bewerten die Reinheit. Eine kurze Diskussion klärt Kriterien für Evidenz.

Bewerten Sie, welche Evidenz Spektren für die Reinheit eines synthetisierten Stoffes liefern.

Moderationstipp

Nutzen Sie beim Spektrenvergleich zur Reinheitsprüfung echte Proben mit bekannten Verunreinigungen, um die Aussagekraft der Methode direkt erfahrbar zu machen.

Worauf zu achten ist

Diskutieren Sie mit der Klasse: Warum ist es wichtig, sowohl die UV/Vis-Spektroskopie als auch die Chromatographie für die Analyse komplexer Gemische zu verwenden? Welche spezifischen Informationen liefert jede Methode, die der anderen fehlt?

• Analysieren
• Bewerten
• Erschaffen
• Entscheidungsfähigkeit
• Selbststeuerung

Aktivität 04

• Fallstudienanalyse
• 60 Min. · Kleingruppen

Stationsexperiment: Farbstoff-Extraktion

Rundstationen mit Extraktion von Farbstoffen aus Lebensmitteln, gefolgt von UV/Vis-Messung und einfacher Chromatographie. Schüler rotieren und dokumentieren.

Erklären Sie, wie sich das Lambert-Beersche Gesetz zur Konzentrationsbestimmung nutzen lässt.

Moderationstipp

Beim Stationsexperiment zur Farbstoff-Extraktion achten Sie darauf, dass die Schüler verschiedene Extraktionsmethoden systematisch vergleichen.

Worauf zu achten ist

Geben Sie den Schülern ein UV/Vis-Spektrum eines synthetisierten Farbstoffs und eine Tabelle mit den Spektren bekannter Farbstoffe. Bitten Sie sie, das synthetisierte Produkt anhand des Spektrums zu identifizieren und die Wellenlänge der maximalen Absorption (λmax) anzugeben.

• Analysieren
• Bewerten
• Erschaffen
• Entscheidungsfähigkeit
• Selbststeuerung

Einige Hinweise zum Unterrichten dieser Einheit

Erfahrene Lehrerinnen und Lehrer wissen, dass die UV/Vis-Spektroskopie nicht isoliert unterrichtet werden sollte. Kombinieren Sie die Theorie mit praktischen Anwendungen, um abstrakte Konzepte greifbar zu machen. Vermeiden Sie es, die Methode als reine Technik zu vermitteln – betonen Sie stets die chemischen Hintergründe und die Bedeutung der Methode für die analytische Chemie. Nutzen Sie Alltagsbeispiele wie Lebensmittelfarbstoffe, um die Relevanz zu verdeutlichen.

Nach diesen Aktivitäten sollten die Schüler das Lambert-Beersche Gesetz anwenden können, Kalibrierkurven korrekt interpretieren und zwischen verschiedenen Methoden der Konzentrationsbestimmung differenzieren. Sie zeigen dies durch präzise Messungen, korrekte Berechnungen und fundierte Diskussionen.

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Vorsicht vor diesen Fehlvorstellungen

• Während des Praktikums zur Kalibrierkurve mit UV/Vis beobachten Sie, dass Schüler annehmen, die Methode messe nur die Farbe von Substanzen.

  Nutzen Sie die Kalibrierkurve als Anlass, um den Schülern zu zeigen, dass die Absorption bei einer bestimmten Wellenlänge gemessen wird, die mit der Elektronenanregung im Molekül zusammenhängt, nicht mit der wahrgenommenen Farbe.

• Während der HPLC-Chromatogramm-Analyse gehen Schüler davon aus, dass das Lambert-Beersche Gesetz für alle Konzentrationen linear gilt.

  Zeigen Sie den Schülern die Abweichung von der Linearität in der HPLC-Auswertung auf, indem Sie sie die Peakflächen bei hohen Konzentrationen mit der Kalibrierkurve vergleichen lassen.

• Während des Stationsexperiments zur Farbstoff-Extraktion nehmen Schüler an, HPLC trenne ausschließlich nach Molekülgröße.

  Lassen Sie die Schüler im HPLC-Chromatogramm-Analyse die Retentionszeiten verschiedener Farbstoffe mit unterschiedlichen Polaritäten vergleichen, um zu zeigen, dass die Trennung nach Verteilungskoeffizienten erfolgt.

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In dieser Übersicht verwendete Methoden

• Fallstudienanalyse